O objetivo central deste trabalho é implementar modelos constitutivos hiperelásticos não lineares em um código computacional que faz análise não linear geométrica de cascas. São necessários, para este propósito, conceitos sobre álgebras linear e tensorial, cinemática, deformação, tensão, balanços, princípios variacionais, métodos numéricos e hiperelasticidade. Tal programa usa a formulação Lagrangiana posicional, o método dos elementos finitos, o princípio dos trabalhos virtuais e o método iterativo de Newton-Raphson para solução das equações não lineares. O elemento finito de casca possui dez nós, sete parâmetros por nó e variação linear da deformação ao longo da espessura. Para dedução dos novos modelos usou-se a decomposição multiplicativa do gradiente da função mudança de configuração, o tensor deformação de Green-Lagrange e o tensor da tensão de Piola-Kirchhoff de segunda espécie. O código desenvolvido foi usado em simulações de diversos exemplos e apresentou boa precisão na análise mecânica de polímeros naturais altamente deformáveis. A ocorrência do fenômeno travamento não se manifestou nas análises realizadas. A presente pesquisa confirmou outros trabalhos, reforçou a necessidade de se usar modelos hiperelásticos não lineares para simular o comportamento mecânico de polímeros naturais e apresentou resultados condizentes com dados experimentais existentes na literatura científica e às respectivas soluções analíticas. / The main objective of this work is to implement nonlinear hyperelastic constitutive models in a computational code of geometrically nonlinear analysis of shells. For this purpose, concepts of linear and tensor algebras, kinematics, strain, stress, balances, variational principles, numerical methods and hyperelasticity are necessary. Such program uses the positional Lagrangian formulation, the finite element method, the principle of virtual work and the iterative method of Newton-Raphson for the solution of the nonlinear equations. The shell finite element has ten nodes, seven parameters per node and presents linear variation of the strain along the thickness. To achieve the new constitutive models the multiplicative decomposition of the deformation gradient, the Green-Lagrange strain tensor and the second Piola-Kirchhoff stress tensor are used. The developed code is tested for simulations of various examples and presents good accuracy in the mechanical analysis of highly deformable natural rubber. The locking phenomena didn\'t appear in the proposed analysis. The present research confirms other works, corroborates the need of using nonlinear hyperelastic models to simulate the mechanical behavior of natural rubber and presents suitable results when compared to existent experimental data of the scientific literature and to the respective analytical solutions.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-04-18T13:51:58Z No. of bitstreams: 1 marcusviniciusdesouzaferraz.pdf: 4103901 bytes, checksum: e4adcd64380c6ba8941b29bcc9d0abfd (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-04-19T17:48:41Z (GMT) No. of bitstreams: 1 marcusviniciusdesouzaferraz.pdf: 4103901 bytes, checksum: e4adcd64380c6ba8941b29bcc9d0abfd (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-19T17:48:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 marcusviniciusdesouzaferraz.pdf: 4103901 bytes, checksum: e4adcd64380c6ba8941b29bcc9d0abfd (MD5) Previous issue date: 2018-02-27 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O conhecimento da topografia das superfícies e uma compreensão da interação entre elas é essencial para qualquer estudo que envolva os fenômenos de atrito, desgaste e lubrificação. O estudo da relação entre o atrito e os parâmetros de rugosidade é um problema difícil e de interesse tanto industrial como acadêmico e trabalhos experimentais e teóricos têm mostrado que uma película de fluido entre duas superfícies rugosas em movimento relativo impede o contato sólido - sólido e pode proporcionar atrito muito baixo e desgaste desprezível. A modelagem matemática utilizada neste trabalho é baseada em modelos clássicos, tais como a equação de Reynolds para a descrição dos fenômenos hidrodinâmicos e as formulações de Hertz (1896) e Greenwood e Williamson (1966) para a modelagem do contato das asperezas entre as superfícies rugosas. Para tratar a complexidade das interações entre o fluido e os pares sólidos contactados, a descrição Lagrangiana-Euleriana Arbitrária é apresentada nesta pesquisa. Através do Método dos Elementos Finitos um modelo tridimensional é gerado no Abaqus ®, a fim de identificar as pressões de contato, as tensões tangenciais e normais resultantes e os coeficientes de atrito decorrrentes do deslizamento entre uma superfície texturizada e lubrificada e um plano rígido (em analogia aos modelos de contato clássicos), cujos perfis de rugosidade são construídos a partir de informações da rugosidade média quadrática de superfícies dentárias. São avaliados também a sensibilidade de alguns parâmetros do lubrificante na determinação do coeficiente de atrito e são propostos modelos com condições de contorno distintas. Entretanto, para a verificação destes últimos busca-se reproduzir qualitativamente o resultado encontrado por Lorentz (2013) na investigação numérica de sistemas tribológicos no regime misto de lubrificação. A metodologia aqui proposta emerge como uma alternativa eficaz no campo da Tribologia, na predição do coeficiente de atrito e outras variáveis pertinentes a um fenômeno ainda pouco compreendido. Realiza-se uma análise de sensibilidade dos parâmetros de modelagem, a fim de identificar como os mesmos afetam consideravelmente o comportamento mecânico na interface de contato. / The knowledge of the topography of surfaces and an understanding of the interaction between them is essential for any study involving the phenomena of friction, wear and lubrication. The study of the relationship between friction and roughness parameters is a difficult problem of both industrial and academic interest and experimental and theoretical works have shown that a fluid film between two rough surfaces in relative motion prevents solid - solid contact and can provide very low friction and negligible wear. The mathematical modeling used in this paper is based on classical models, such as the Reynolds equation for the description of the hydrodynamic phenomena and the formulations of Hertz (1896) and Greenwood e Williamson (1966) of the contact between the asperities of rough surfaces. To address the complexity of the interactions between the fluid and the contacted solid pairs, the Lagrangian-Eulerian Arbitrary description is presented in this research. Through the Finite Element Method, a three-dimensional model is generated in Abaqus ®R to identify contact pressures, resulting tangential and normal stresses, and friction coefficients resulting from sliding between a textured and lubricated surface and a rigid plane (in analogy to classic contact models), whose roughness profiles are constructed from information on the quadratic roughness of dental surfaces. The sensitivity of some lubricant parameters in the determination of the coefficient of friction is also evaluated and models with different boundary conditions are proposed. However, for the vefrification of the latter, it is sought to qualitatively reproduce the result found by Lorentz (2013) in the numerical investigation of tribological systems without mixed lubrication regime. A methodology proposed here emerges as an effective alternative in the field of Tribology, in the prediction of the coefficient of friction and other relevant variables to a phenomenon still little understood. A sensitivity analysis of the modeling parameters is performed, in order to identify how they considerably affect the mechanical behavior at the contact interface.